Лекция 4 ТЕМП-4М

Лекция 4. Ускоритель ТЕМП-4М
1. Физические принципы генерации МИП
2. Конструкция ускорителя ТЕМП-4М
3. Электрическая схема и конструкция ГИН
4. Режим зарядки ДФЛ
5. Диагностическое оборудование ускорителя ТЕМП – 4М
6. Пояс Роговского
7. Низкоиндуктивный шунт
8. Комбинированный делитель напряжения
9. Емкостной делитель напряжения
10. Коллимированный цилиндр Фарадея
11. Ослабители (делители) измеряемого напряжения
1
1. Физические принципы генерации МИП
Low Power Accumulation
Primary
energy
source
High Power Outputs
Pulse
forming
section
Energy
storage
D.C.
Charge
Load
s
ns
Pulsed Discharge
Pulsed Power
2
Функциональная схема ускорителей серии ТЕМП:
1 – генератор импульсного напряжения;
2 – двойная формирующая линия;
3 - катод;
4 – анод.
3
2. Конструкция ускорителя ТЕМП-4М
Параметры ускорителя ТЕМП-4М:
• ускоряющее напряжение 250 – 300 кВ;
• длительность ускоряющего импульса 150 нс;
• плотность ионного тока на мишени 50 – 250 А/см2;
• частота импульсов 5 - 10 имп./мин.
• Beam composition: ions of carbon (C+, C2+, C3+) and protons,
4
Схема ускорителя: 1, 4 – газовые разрядники; 2, 5 – делители напряжения; 3 – ДФЛ; 6 – пояс
Роговского; 7 – магнитоизолированный диод; 8 – акуумная камера; 9 – мишенный узел; 10 –
вакуумная система; 11- генератор импульсных напряжений (ГИН); 12 – система газоподачи и
водоподготовки
6
3. Электрическая схема и конструкция ГИН
7
Number of levels– 8;
Shock Capacitance Сsh – 37,5 nF;
Charging voltage Uo - 25-60 кV (stabilized);
Inductance - 2,5 mcH;
Overall dimensions– 1,8 х 1,8 х 1,25 m3
Конденсаторы ИК100-0.4
Рicture of Marx Generator
Circuit of the microsecond generator
8
Тригатрон (управляемый разрядник) первой ступени ГИН
9
Принцип работы ГИН
Зарядка ГИНа
Срабатывание ГИНа
10
Осциллограмма напряжения
зарядки ГИН
U
Осциллограммы напряжения и
тока на выходе ГИН
I
11
Зарядка ГИН
E ГИН
CэU 2

2
Сэ = 8С
12
Напряжение зарядки
t


U c (t )  U 0 1  e  c






где τ = Rз·Сэ
при С = 7·47·10-9 = 3.29·10-7 Ф
и R = 750 кОм
τ = Rз·Сэ = 0.25 сек
при U0 = 30 кВ
Ток заряда емкости С равен:
t
t
dU c CU 0   U 0  
I (t )  C

e 
e
dt

Rз
13
Потери энергии в зарядном сопротивлении
E ГИН

2
0
U
ER   I Rdt 
R
0
2
e

CэU 2

2
2t

dt 
CU
2
2
14
Разрядка конденсаторов ступени ГИН в течение зарядки ДФЛ
U (t )  U 0  e

t

τ = 1/2·RC = 0.5·470·2·47·10-9
= 2.2·10-5 сек = 22 мкс
15
После зарядки конденсаторов запуск генератора производится после срабатывания
первого разрядника (тригатрона). После срабатывания тригатрона перенапряжение на
разрядниках заставляет срабатывать все остальные разрядники практически
одновременно, чем и производится последовательное соединение заряженных
конденсаторов.
16
Режим короткого замыкания ГИН
ГИН
R
В режиме КЗ период колебаний
T  2 L  C уд
где Суд = С0/7 = 6.7 нФ
Отсюда индуктивность ГИНа
L
1
1

 6 мкГн
2
3 2
9
(2f ) C уд (2  3.14  800  10 )  6.7  10
17
4. Режимы зарядки ДФЛ. Одноимпульсный режим.
индуктивность
U
I
18
19
Двухимпульсный режим работы ДФЛ
Схема зарядки ДФЛ в двухимпульсном режиме.
20
5. Диагностическое оборудование ускорителя ТЕМП – 4М
Диодная камера ускорителя
1.
2.
3.
4.
5.
Емкостной делитель напряжения
Пояса Роговского ГИНа, ДФЛ и диода
Цилиндр Фарадея
Комбинированный делитель напряжения
Резистивный делитель напряжения
21
6. Пояс Роговского
Пояс Роговского используют для измерения импульсных токов в проводниках
и в пучках заряженных частиц. Пояс Роговского представляет собой длинный
замкнутый соленоид произвольной формы с равномерно намотанной обмоткой.
Принцип его работы основан на регистрации магнитного поля, создаваемого
измеряемым током I0(t).
I0
Эквивалентная схема пояса Роговского.
При выполнении условия ωRнС << 1 влиянием паразитной межвитковой емкости
обмотки ПР можно пренебречь.
Тогда из второго уравнения Кирхгофа изменение тока в нагрузке равно:
dI
L dI 0
L  (r  Rн ) I  E (t )  
dt
N dt
(1)
I – регистрируемый ток
I0 – исследуемый ток
24
Для импульса тока с линейно
растущим током
dI I

dt 
dI
L dI 0
L  (r  Rн ) I  
dt
N dt
(1)
где τ – длительность импульса.
L dI 0
I  (r  Rн )  I  

N dt
=0
L
Величина постоянной времени
пояса Роговского

При условии
L
 
( r  Rн )
Из (2) получим
Индуктивность обмотки ПР равна
L
(2)
dI 1 dI 0
 
dt N dt
0 SN 2
l
где S - площадь сечения обмотки, l- длина сердечника,
μ – магнитная проницаемость сердечника.
I 0 (t )  N  I (t )
Этот режим работы ПР называется режимом трансформатора тока.
(3)
25
При обратном соотношении
L
 
(r  Rн )
dI
L dI 0
L  (r  Rн ) I  
N dt
=0 dt
(1)
Реализуется режим контура ударного
возбуждения и из уравнения (1):
L dI 0
(r  Rн ) I  
N dt
В этом случае измеряемый ток равен:
N (r  Rн )
I 0 (t ) 
I (t )dt

L
0
t
26
Величина постоянной времени пояса Роговского
 пр 
Lпр
r  Rн
 11.3 мкс
значительно больше длительности регистрируемого импульса тока (100 нс),
что обеспечивает работу ПР в режиме трансформатора тока без искажения
формы импульса тока в нагрузке.
28
28
Пояс Роговского с обратным витком.
29
Калибровка пояса Роговского ГИН
Схема калибровки пояса Роговского:
1 – низкоиндуктивный шунт,
2 – пояс Роговского.
Пояс Роговского с обратным витком
Внешний вид пояса Роговского
Осциллограммы тока пояса Роговского и тока,
регистрируемого шунтом
30
7. Низкоиндуктивный шунт
К осциллографу
U = I*Rш
Rш = 0,0485 Ом
8. Комбинированный делитель напряжения
32
Калибровка делителя ДФЛ
33
Схема калибровки комбинированного делителя
напряжения.
Схема комбинированного
делителя напряжения
Осциллограмма напряжения на выходе
генератора ГЗИ-6 и коэффициент ослабления делителя
34
Осциллограммы напряжения на входе
и выходе делителя ДФЛ
К = 1050 ± 1%
35
9. Емкостной делитель напряжения
С2
С1
С1
С2
36
С1
С2
Эквивалентная схема делителя.
Полная эквивалентная схема делителя напряжения:
C1, С2 - емкость электрода делителя на потенциальный диск и на корпус камеры
соответственно, R – волновое сопротивление кабеля.
38
Сопротивлением R в параллельной цепи можно
пренебречь при условии
1
R
С2
Длительность импульса составляет 100 нс, тогда минимальная частота
спектра сигнала составляет 107 Гц.
1
1
10
C 


3

10
 0.3 нФ
7
R 6.28  10  50
39
Дифференциальный делитель напряжения
Длительность фронта импульса напряжения не превышает 5 нс, поэтому максимальная
частота гармоник равна 2·108 Гц. При реактивном сопротивлении емкости С2,
превышающем волновое сопротивление кабеля более чем в 10 раз, влиянием емкости
дифференциального делителя напряжения можно пренебречь. Это выполняется при
1
 500
С 2
С2 
1
 1.6
8
2  500  2 10
pФ
40
Вывод соотношения для расчета напряжения
Сигнал с делителя напряжения, регистрируемый осциллографом, равен:
UR(t) = i(t) ·R,
где ток в цепи делителя i(t) можно записать в виде:
i (t )  C
dU c
dt
где Uc – напряжение на емкости С.
Тогда напряжение на выходе делителя
U R (t )  RC
dU c
dt
(1)
Напряжение на емкости делителя равно UC = U(t) – UR(t).
Тогда из соотношения (1) получим:
U R (t )  RC
d
U (t )  U R   RC dU (t )  RC dU R
dt
dt
dt
После преобразования:
Или
U R (t )  RC
dU (t )
1
dU R

U R (t ) 
dt
RC
dt
dU R
dU (t )
 RC
dt
dt
(2)
42
dU (t )
1
dU R

U R (t ) 
dt
RC
dt
(2)
При очень большой емкости дифференциального делителя на потенциальный электрод
катодного узла 1/RC << 1 и из соотношения (2) получим U(t) = UR(t).
В противоположном случае, при выполнении условия:
dU R
1

UR
dt
RC
RC dU R
П
 1
U R dt
Из (2) получим соотношение, связывающее измеряемое напряжение с величиной
регистрируемого напряжения на выходе дифференциального делителя:
dU (t )
1

U R (t )
dt
RC
t
1
U (t ) 
U R (t )dt (3)

RC 0
Коэффициент ослабления дифференциального делителя равен K = 1/RC.
43
Исследование погрешности измерения формы импульса
Осциллограммы напряжения на выходе дифференциального (1) и емкостного делителя
напряжения (2). Кривая 3 - напряжение, рассчитанное по показаниям дифференциального
делителя.
t
1
U (t ) 
U R (t )dt

RC 0
44
П
U
П
П
Изменение напряжения, приложенного к катоду, и параметра П в течение
генерации электронного пучка.
RC dU R
1 dU R
П

 1
U R dt
KU R dt
10. Коллимированный цилиндр Фарадея
Осциллограммы напряжения, плотности
ионного тока и полного тока
1 – потенциальный электрод диода;
2 – заземленный электрод;
3 – колимированный цилиндр
Фарадея;
4 – пояс Роговского.
46
Цилиндр Фарадея
К осциллографу
Электронный
пучок
U = Ie*Rцф
Rцф = 0,0485 Ом
10.1. Коллимированный цилиндр Фарадея с магнитной отсечкой
электронов
N
ионы +
электроны
B
К осциллографу
S
СКИН-ЭФФЕКТ (поверхностный эффект) - затухание эл.-магн. волн по мере их проникновения в глубь
проводящей среды, в результате которого перем. ток по сечению проводника или перем. магн. поток
по сечению магнитопровода распределяется не равномерно, а преим. в поверхностном слое (с к и н с л о е). При распространении эл.-магн. волны в проводящей среде в ней возникают вихревые токи, в
результате чего часть эл.-магн. энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к затуханию волны.
Чем выше частота эл.-магн. поля и чем больше магн. проницаемость m проводника, тем сильнее (в
соответствии с Максвелла уравнениями) вихревое электрич. поле, создаваемое перем. магн. полем, а
чем больше проводимость а проводника, тем больше плотности тока и рассеиваемая в ед. объёма
мощность (в соответствии с законами Ома и Джоуля — Ленца)
48
49
При частоте электромагнитного излучения, значительно ниже частоты
ленгмюровских колебаний (ω<<ωpe), магнитное поле проникает в плазму на глубину
скин-слоя, величина которого равна:
e 
c
 p2   2

c
p
где с – скорость света, ωp – частота ленгмюровских колебаний.
Численное значение плазменной, или ленгмюровской, частоты
ωp =5.64·104·(ne)0.5, Гц при ne в см-3.
Тогда толщина скин-слоя равна:
при ne в см-3.
5.31  105
e 
, см
ne
50
Плотность ионного тока можно определить из соотношения:
где z - заряд ионов, ni –концентрация ионов, vi - скорость ионов.
Тогда концентрация ионов в МИП равна:
Скорость ионов в области транспортировки МИП (после ускорения в А-К зазоре)
можно определить из соотношения:
Соотношение для концентрации ионов в МИП:
51
Тогда толщина скин-слоя
ионного пучка равна:
при ускоряющем напряжении в вольтах и плотности ионного тока в А/м2.
300 кВ
200 кВ
100 кВ
Расчетные значения толщины скин-слоя
МИП при разном ускоряющем
напряжении
Изменение толщины скин-слоя
при генерации МИП
52
53
10.2. Цилиндр Фарадея с электрическим смещением
ионы +
электроны
К осциллографу
Напряжения смещения
Расстояние, на которое распространяется действие электрического поля в плазме,
определяется дебаевским радиусом. Вне сферы радиуса дебаевской длины электрическое
поле экранируется в результате поляризации окружающей среды. Радиус Дебая равен
[119]:
D 
0  k T
ne  e 2
где 0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость, k – постоянная Больцмана, e 54
заряд электрона, ne – концентрация тепловых электронов в МИП.
Для МИП с однократно ионизованными ионами при полной зарядовой нейтрализации
e = z, ne = ni.
Тогда радиус Дебая с учетом соотношения (11.3) равен:
D 
0  k T
ne  e 2
ni 

 0 kT  e  2U  e
e 2  j  mi

1
4
2   0 kT U

e  mi
j
j mi
z 2Uz
Радиус Дебая для ионов С+ равен:
D  3 105
U
1
4
j
, м  30
U
1
4
j
, мкм
при ускоряющем напряжении в вольтах и плотности ионного тока в А/м2.
55
300 кВ
200 кВ
100 кВ
Расчетные значения радиуса
Дебая для тепловых электронов
МИП (Te = 300K) при ускоряющем
напряжении 100 (1), 200 (2) и 300 кВ
(3)
Расчетные значения толщины скин-слоя
МИП при разном ускоряющем напряжении
При использовании цилиндра Фарадея с электрическим смещением диаметр МИП
должен составлять несколько мкм, что при плотности ионного тока 30-150 А/см2 и
сопротивлении нагрузки 50 Ом обеспечивает очень слабый сигнал. Поэтому более
перспективно использование ЦФ с магнитной отсечкой тепловых электронов.
56
11. Ослабители (делители) измеряемого напряжения
Запишем уравнения Кирхгофа для данной схемы:
I 0  I1  I 2 ;
I 2  I 4  I3;
U
I1  1 ;
R1
I2 
I3 
U1
;
R1  R2
U2
;
R1
U1  I 2  R2  U 2  0;
1
1
1
 
.
50 R1 R1  R2
U1
 K;
U2
В результате преобразований получены следующие выражения
для сопротивлений R1 и R2:
50  (1  K )
R1 
;
K
R2  ( K  1)  R1 .
Kослабл.
5
10
R1, Ом
60
55
R2, Ом
240
495
57
Схема калибровки делителя напряжения
Осциллограммы напряжений на входе и на выходе делителя напряжения
58
Калибровка сигнальных проводов.
1 Калибровка ВЧ низковольтными импульсами
Схема измерений для диагностики кабелей 1 и 2, с
использованием генератора Г5-67
Форма сигналов на входе (1) и на выходе (2)
кабельного канала, полученных при диагностике 1-го
и 2-го кабелей.
Форма сигнала с кабеля 1(1) и коэффициент,
равный отношению напряжений с 1-го и 2-го
59
кабелей (2).
2. Калибровка ВЧ высоковольтными импульсами
Схема измерений для диагностики кабелей 1 и 2, с
использованием генератора ГИ-1.
Форма выходного сигнала (1) и коэффициент, равный отношению
напряжений с 1-го и второго кабелей(2).
60
http://portal.main.tpu.ru:7777/SHARED/a/AIPUSH
Пятница, 5 октября, в 312 аудитории
08:30 Получение и применение пучков
заряженных частиц
Лекция проф. Ремнева Г.Е.
61